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摘要：本文主要介绍了MBR工艺的特点及组成，特别是对所用膜组件形式及膜材料进行了分析对比，并对MBR工艺设计及使用进行了简单总结，以对MBR工艺的整个应用有一个系统介绍。
关键词：固液分离；膜组件；膜通量；污泥浓度
1．前言
煤化工企业污水中的氨氮和COD含量较高，采用一般生化工艺处理往往占地面积非常大，而且运行管理较为复杂，而采用膜生物反应器（MBR）工艺处理效果较好，出水可直接回用为循环水补水，将污水处理与污水回用装置合二为一，节省投资。
2．MBR介绍
现在我们所说MBR工艺主要是指固液分离型膜—生物反应器（Solid/Liquid Separation Membrane Bioreactor，SLSMBR，简称MBR），除此之外还有曝气膜—生物反应器（Aeration Membrane Bioreactor，AMBR）；萃取膜—生物反应器（Extractive Membrane Bioreactor，EMBR），均是由膜分离组件及生物反应器两部分组成。下文主要介绍应用于污水领域的固液分离型膜—生物反应器（MBR）。
2.1MBR工艺简介
固液分离型膜—生物反应器是在水处理领域中研究得最为广泛深入的一类膜生物反应器，是一种用膜分离过程取代传统活性污泥法中二次沉淀池的水处理技术。在传统的废水生物处理技术中，泥水分离是在二沉池中靠重力作用完成的，其分离效率依赖于活性污泥的沉降性能，沉降性越好，泥水分离效率越高。而污泥的沉降性取决于曝气池的运行状况，改善污泥沉降性必须严格控制曝气池的操作条件，这限制了该方法的使用范围。由于二沉池固液分离的要求，曝气池的污泥不能维持较高浓度，一般在1.5~3.5g/L左右，出水中含有悬浮固体，如需进行回用还需要有后续的处理。针对上述问题，MBR将分离工程中的膜分离技术与传统废水生物处理技术有机结合，大大提高了固液分离效率，并且由于曝气池中活性污泥浓度的增大和污泥中特效菌（特别是优势菌群）的出现，提高了生化反应速率。同时，通过降低F/M（有机负荷）比减少剩余污泥产生量（甚至为零），从而基本解决了传统活性污泥法存在的许多突出问题。
2.2MBR工艺的特点
2.2.1MBR工艺优点
（1）出水水质优质稳定
由于膜的高效分离作用，出水水质可达到《城市污水回用设计规范》（CECS61：94），可应用于工业冷却水、生活杂用水等。COD、BOD、SS的去除率可以分别高达95%、98%、99%，出水病毒小于10PFU/mL。
同时，膜分离也使微生物完全被截流在生物反应器内，使得系统内能够维持较高的微生物浓度，不但提高了反应装置对污染物的整体去除效率，保证了良好的出水水质，同时使得反应器对进水负荷的各种变化具有很好的适应性，耐冲击负荷，能够稳定获得优质的出水水质。
（2）剩余污泥产量少
该工艺可以在高容积负荷、低污泥负荷下运行，剩余污泥产量低，降低了污泥处理费用。因为污泥处理费用往往占到一个污水处理场运行成本的35%~55%）。表2-1为不同废水处理工艺的污泥量的比较。
（3）占地面积小，不受设置场合限制
MBR反应器内能维持高浓度的微生物量，可高于传统活性污泥法10倍以上（最高可达到40~50mg/L），处理装置容积负荷高（可达到5kgCOD/（m3·d），省去了二沉池、滤池及一系列辅助设备，反应时间可减少至2h，占地面积大大节省。
（4）可去除氨氮及难降解有机物
由于微生物被完全截流在生物反应器内，从而有利于繁殖缓慢的微生物如硝化细菌的截留生长，系统硝化效率得以提高。同时，可增长一些难降解的有机物在系统中的水力停留时间，有利于难降解有机物的去除。
（5）操作管理方便，易于实现自动控制
该工艺实现了水力停留时间（HRT）与污泥停留时间（SRT）的完全分离，运行控制更加灵活稳定，是污水处理中容易实现装备化的新技术，维护简单，节省人力，每周只需1~2次，每次只需2~3h的维护即可，从而使操作管理更为方便。
（6）运行启动快，适用性广
由于在最初的运行期，没有排泥，能够迅速的提高系统内的污泥浓度，反应器启动快，且易于从传统工艺进行改造，可以作为传统污水处理工艺的深度处理单元，在出水深度处理、污水回用等领域有着广阔的应用前景。
2.2.2缺点
（1）膜造价高，使MBR反应器的基建投资高于传统污水处理工艺。
（2）操作不当易引起膜污染，给操作管理带来不便。
（3）能耗较普通生物法较高。首先MBR泥水分离过程必须保持一定的膜驱动压力，其次是MBR池中MLSS浓度非常高，要保持足够的传氧速率，必须加大曝气强度，为了加大膜通量、减轻膜污染，必须增大流速，冲刷膜表面，造成MBR的能耗要比传统的生物处理工艺略高。
3MBR工艺类型
根据膜组件和生物反应器的组合方式，可将膜—生物反应器分为分置式、一体式以及复合式三种基本类型。
3.1分置式膜—生物反应器
把膜组件和生物反应器分开设置。生物反应器中的混合液经循环泵增压后打至膜组件的过滤端，在压力作用下混合液中的液体透过膜，成为系统处理水；固形物、大分子物质等则被膜截留，随浓缩液回流到生物反应器内。分置式膜—生物反应器的特点是运行稳定可靠，易于膜的清洗、更换及增设；而且膜通量普遍较大。但一般条件下为减少污染物在膜表面的沉积，延长膜的清洗周期，需要用循环泵提供较高的膜面错流流速，水流循环量大、动力消耗高，并且泵的高速旋转产生的剪切力会使某些微生物菌体产生失活现象。
3.2一体式膜—生物反应器
分两种形式，一是将膜组件浸没池与生物反应器分离，之间通过泵来输送要过滤的污水，这样可以将膜浸没池作为好氧区，而生物反应池作为缺氧区实现硝化—反硝化目的，而且便于将膜进行清洗。
第二种时将膜直接置于生物反应器内，通过真空泵或其他类型的泵抽吸，在负压状态下使污水流经膜得到净化。为了减少膜污染，一般泵的抽吸是间歇运行的。进水进入膜—生物反应器，其中的大部分污染物被混合液中的活性污泥去除，再在外压作用下由膜过滤出水。这种形式的膜—生物反应器由于省去了混合液循环系统，并且靠抽吸出水，能耗相对较低；占地较分置式更为紧凑，近年来在水处理领域受到了特别关注。膜组件下方置有曝气装置，可以为生化反应提供氧气，其次可以提供上升气流冲刷膜丝，膜丝相互摩擦，混合液随气流向上流动，在膜表面产生剪切力，有效防治膜污染。这种装置省去了循环系统，能耗相对较低，一般为2~4kWh/m3，是目前在污水处理项目上应用较多的方法。
3.3复合式膜—生物反应器
在形式上也属于一体式膜—生物反应器，所不同的是在生物反应器内加装填料，从而形成复合式膜—生物反应器，改变了反应器的某些性状。
4.MBR设计
4.1膜组件
主要考虑：机械强度、化学稳定性、及水通量三个因素。前两项直接影响膜的使用寿命。在处理能力一定时，设计选择的水通量越高，所需的膜面积就越小，膜组件部分的固定投资就越少，但MBR工艺的运行周期也就会越短，从而增加膜组件清洗的次数和费用。
4.2水力停留时间
处理一般的生活污水HRT=2~3h时即可，考虑到温度等其他因素，HRT的设计范围一般在3~5h左右。当水质交叉或对出水氨氮有要求时，需要加大HRT。
4.3污泥浓度
污泥浓度增大，混合液黏度也增大，同样曝气强度对膜表面的剪切力减小，对膜表面的滤饼层的去除能力也相应降低，要保持恒定的出水膜通量就必须提高曝气强度。同时污泥浓度的升高，传氧速率也急剧下降。所以污泥浓度必须在处理能力和运行能耗的双重影响下确定，一般选择在5~10mg/L，抗冲击负荷和运行能耗都较好。
4.4污泥停留时间（SRT）
SRT过长，污泥浓度增加而营养物质相对贫乏，导致内源呼吸加剧和大量微生物死亡，进而导致上清液中可溶性代谢产物积累，从而加大了膜的负担，应该综合考虑生物反应器的传氧和膜组件的污染控制。一般SRT通常的设计范围为15~60d。
4.5工艺设置
（1）预处理：要去除原水中可能给膜带来损伤的大颗粒固态物，通常选择过滤精度2mm的机械格栅去除纤维物质，沉砂槽去除砂砾。含油达到50mg/L以上时，需要设置除油装置。
（2）膜生化池：平面布局，膜组件的平面布局尽可能位于生化池的中央，以确保下向流所需的空间。每支膜组件周围空白间距为此膜组件宽度的35%以上，且不能小于300mm；断面布局，对于膜组件的上下部，为了形成均匀的回旋流，要确保膜组件上面与睡眠间距为膜组件短边宽度的70%以上，不满500mm时以500mm计，曝气头底距离生化池底为膜组件短边宽度的50mm以上，但不低于300mm。
池的容积设计可参照活性污泥法，结合反应器的污泥负荷或容积负荷参数计算。
池容按污泥负荷计算时可采用下列公式：
V=24L·Q/1000Fw·Nw
池容积按容积负荷计算时可采用下列公式：
V=24L·Q/1000FV
式中V——反应器的有效容积（m3）
L——反应器进水的BOD（mg/L）
Q——反应器设计处理水流量（m3/h）
Fw——反应器的BOD污泥负荷（kg/kg·d）
Nw——反应器内污泥平均浓度MLSS（g/L）
Fv——反应器内BOD容积负荷（kg/m3·d）
一般化工类污水BOD一般在100~500mg/L左右，Fw值可取0.1~0.2（kg/kg·d），Nw可取2.0~8.0（g/L），Fv值可取0.4~0.9（kg/m3·d）进行计算。
（3）吸引方法：吸引泵的吸引压力通常为5~30kPa左右，一般在运行过程中选择间歇运行的方式，吸引时间小于13min，停止时间大于2min；曝气量除了耗氧量外，每个膜组件的清洗空气量为0.6m3/h。具体由膜厂家定。
5.MBR维护
5.1膜污染
膜污染根据其成因可以分为滤饼层、凝胶层、水垢层和吸附层污染。
滤饼层：主要由原液中的悬浮物及胶体形成，
主要由金属氧化物和粘土（硅酸铝）
凝胶层：原液中有机物或可溶性高分子经浓缩后形成。
水垢层：碳酸钙、硫酸钙、二氧化硅等难溶盐。
吸附层：对膜有很强吸附性的特定物质，比如油吸附于疏水材料膜表面。
5.2膜清洗
（1）物理清洗：反洗为从膜的透过侧吹气体或液体；外部加压是指用压缩空气或带压液体逆洗；内部抽吸是指周期性将膜外侧（滤液侧）的空气或液体吸入膜的内侧进行逆洗。反冲洗一般可使膜过滤压差短时间内有所下降，但运行以后膜过滤压差又迅速上升，出水水量下降。
（2）化学清洗：碱性条件下有机物、二氧化硅及生物污染物质易被清洗；酸性条件下一些金属离子污染物易被溶解。NaClO溶液则对微生物有很好的去除效果。当采用两种以上的药剂进行配合清洗时或与物理清洗法并用时要慎重考虑清洗顺序。
参考文献
[1]污水处理—膜生物反应器装置规范，HG/T3917-2006
[2]樊柱柱，罗秀峰.MBR技术在污水处理中的应用，经济技术协作信息，2008，（11）.
[3]王智慧.MBR在石化工业区综合污水处理中的应用，膜科学与技术，2009（6）.
[4]赵学辉.新型膜生物反应器及膜污染的研究进展.工业水处理，2009（29）
论文作者:闫帅
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第13期
论文发表时间:2017/10/13
标签：污泥论文; 生物反应器论文; 组件论文; 反应器论文; 工艺论文; 浓度论文; 负荷论文; 《建筑学研究前沿》2017年第13期论文;